量子電子工学

Quantum Electronics

9973503

73ELPRS301

杉山　睦

Mutsumi Sugiyama

2024年度前期

2024 First Semester

金曜1限

Friday 1st Period

創域理工学部　電気電子情報工学科

Department of Electrical Engineering, Faculty of Science and Technology

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

【概要】現在の半導体の加工技術はナノオーダーに及び、量子構造を用いた技術やデバイスが盛んに用いられている。身近な発光ダイオードや光センサーを例にしてみても、安価なデバイスであるにもかかわらず、量子工学技術の推移が詰まっている。本講義では量子力学の工学分野、とりわけ半導体等の固体デバイスへの応用を理解することを最終目標とし、量子論の基礎、量子効果を用いたデバイスの原理、および使用材料や作製方法について、工学サイドから見た量子工学について講義する。

【目的】本科目、当学科のディプロマポリシーに定める第２項「電気工学、電子工学、情報通信工学の学問分野に共通した基礎学力と、その上に立つ各分野の専門知識」を実現するための科目である。概要に示した一連の取り組みを通して、最先端の半導体デバイスの動作原理とその背景にある量子力学について理解する事を目的とする。

【到達目標】本科目を通じて、量子力学の工学分野、とりわけ半導体等の固体デバイスへの応用を理解することを最終目的とし、量子論の基礎、量子効果を用いたデバイスの原理、および使用材料や作製方法について、工学サイドから見た量子工学について説明できるよう修得する。

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

電子物理学を履修しておくことが望ましい。他学科・他学部受講可。

課題に対する作文　Essay

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（準備学習）各回の授業前に2時間程度、指定した教科書・キーワード等の授業内容に関連した部分を熟読したり、場合によっては検索などして調査しておくこと
（復習）各回の講義内容を2時間程度復習し、各回の講義で説明した内容について理解の定着を図ること
予習・復習の範囲などは、LETUSで随時アナウンスする。

レポート30点(1回10点×3回)、到達度評価試験70点とし、合計60点以上を合格とする。
レポート課題は授業中に学習した内容を復習する内容、もしくは半導体の最新動向を調査する内容とし、各月末の講義時に内容を指示する(休講や講義の進捗状況に合わせ、適宜ずれる事がある)

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

Y

半導体の基礎　—量子力学・半導体物性からデバイス応用—
入江 泰三, 中西 久幸, 杉山 睦,  工学図書 (2009/2)   ISBN-10: 4769204868, ISBN-13: 978-4769204862
（1EE:電気物理学、2EE:電子物理学、3EE:量子電子工学の３科目共通の教科書）

教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

特になし。

第 1 回 はじめに
半導体や量子効果について確認し、本講義の方針などを紹介する。
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第 2 回 半導体基礎物性
エネルギー帯、電気伝導性、ドーピング等、半導体の基礎物性について理解する。
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第 3 回 スマートフォンにみる最新の半導体
身近にあるスマートフォンを題材に取り上げ、タッチパネル・ディスプレイ・各種センサなど、半導体を用いた基本的デバイスの動作原理を理解する。
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第 4 回 量子論の基礎
量子論を考える上で必要な、シュレディンガー方程式・量子井戸とトンネル効果について、その概要を理解する。−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
第 5 回 量子井戸構造
第4回目の講義を受け、量子井戸構造の仕組みと電子の振る舞いについて理解する。
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第 6 回 量子井戸を用いたデバイス
発光ダイオード(LED)や半導体レーザダイオード(LD)など、量子井戸効果を用いた発光デバイスについて、その特徴と動作原理、応用例について理解する。
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第 7 回 量子井戸から量子ドットへ
研究開発中の量子ドットレーザや量子ドット太陽電池など、この分野の動向を紹介すると共に、量子化の将来について理解する。
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第 8 回 トンネル効果
第4回目の講義を受け、超格子の物理的意味と、そこで発生するトンネル効果について理解する。
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第 9 回 トンネル効果を用いたデバイス
アバランシェフォトダイオードやSTMなど、トンネル効果を用いたデバイスについて、その特徴と動作原理、応用例について理解する。
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第 10 回 コンピュータの変遷
コンピュータの心臓部であるトランジスタについて、バイポーラトランジスタから量子コンピュータまで、その特徴と動作原理、応用例について理解する。
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第 11 回 量子井戸とトンネル効果のまとめ
5-10回目の講義を振り返り、半導体デバイスの高性能化に大きく寄与している量子化について、数式だけではなく具体的な商品のイメージが付くよう理解する。−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
第 12 回 半導体材料と作り方
GaAs系、InP系、GaN系など。量子デバイスを作製する材料についてその特徴を理解する。
MBE、MOCVD、HVPE、スパッタ法など、量子デバイスを作製する技術についてその特徴を理解する。
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第 13 回 半導体薄膜技術を用いたデバイス
HEMT(高電子移動度トランジスタ)やアモルファス半導体など、最新の半導体デバイス・材料の特徴と動作原理、応用例について理解する。
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第 14 回 身近な量子効果
プリンタ・マウス・ゲーム機など、生活の身近にある電化製品に用いられている量子効果について、具体例を紹介しながら動作原理などを理解する。講義の総括・まとめと、場合によっては補足説明を行う。
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第 15 回 到達度評価
全範囲に関する試験を行うと共に、量子効果の基礎とデバイスの動作原理を総括する。

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